Parte 2 - Sistema de Bibliotecas USM

CAPÍTULO IX / FUERZAS
Movimiento de Planetas y Satélites
Analizando las cuidadosas observaciones de la posición de los planetas hechas por Ticho Brahe,
Johannes Kepler enunció en la segunda década del siglo XVII, tres leyes empíricas sobre el movimiento
de los planetas en torno al Sol:
La órbita de cada planeta es una elipse,
uno de cuyos focos está ocupado por el Sol.
PLANETA
x
Una recta trazada desde un planeta hasta
el Sol barre áreas iguales en iguales intervalos
de tiempo.
SOL
't2 Los cuadrados de los períodos de
revolución de dos planetas cualesquiera
alrededor del Sol son proporcionales a los cubos
de sus distancias medias al Sol.
't1
't3 't1
't2
't3 Estudiemos algunas ilustraciones de estas leyes:
Gv
x
Cuando un planeta describe su órbita
elíptica alrededor del Sol pasa por el punto más
cercano al Sol, el perihelio, y por el más lejano,
el afelio, con distinta velocidad.
Las rapideces v a
a
P
y v p en afelio y
Gv
perihelio, están relacionadas a las distancias da
da
dp
a
SOL
p
y dp del planeta al Sol en tales puntos.
Consideremos un “pequeño” intervalo de
tiempo 't que incluya el instante en que pasa
por uno de esos puntos. Aproximadamente el
arco recorrido con rapidez v es v't y el área
del sector correspondiente es:
1
2
Sol
d
v ˜ 't d
˜d˜ v't
340
CAPÍTULO IX / FUERZAS
De acuerdo a la segunda ley de Kepler, cuando los intervalos de tiempo son iguales, la recta del
Sol al planeta barre áreas iguales y por tanto para afelio y perihelio resulta:
1
2
1
da ˜ v a ˜ ' t
dp ˜ v p ˜ ' t
2
esto es:
da ˜ v a
dp ˜ v p
o bien
va vp
dp da
lo que muestra que las rapideces en el afelio y el perihelio son inversamente proporcionales a las
distancias de esos puntos al Sol.
x
Para Mercurio, las distancias al Sol en afelio y en perihelio son
7
6 , 986 ˜ 10 [km]
y
7
4 , 604 ˜ 10 [km] respectivamente. Su rapidez al pasar el perihelio es 58,92[km/s] , y al pasar por el
afelio lo hace con una rapidez de:
dp
va
da
7
vp 4, 604 ˜ 10 [km]
7
6,986 ˜ 10 [km]
˜ 58,92 [km / s]
38,83 [km / s]
Al describir su órbita un planeta lo hace con rapidez variable, siendo la mínima en afelio y la
máxima en perihelio.
x
La ley de Kepler para los períodos de los planetas la podemos expresar algebraicamente en la
forma:
T
2
3
k ˜ d
siendo T el período de revolución, d la distancia media del planeta al Sol y k una constante.
Podemos controlar esta ley usando los siguientes datos, aproximados a 4 cifras significativas, para
la Tierra y Plutón:
Período
Afelio
Tierra
3 ,156 ˜ 10 [s]
Plutón
7 , 837 ˜ 10 [s]
Perihelio
7
11
1, 521 ˜ 10 [m]
9
7 , 375 ˜ 10 [m]
12
11
1, 471 ˜ 10 [m]
12
4 , 443 ˜ 10 [m]
La distancia media al Sol es el promedio de las distancias en afelio y perihelio, esto corresponde al
semieje mayor de la órbita elíptica, por tanto:
11
Tierra: d
1, 496 ˜ 10 [m]
Plutón: d
5,909 ˜ 10
12
341
[m]
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Entonces:
T
Tierra:
3
d
T
Plutón:
3,156 ˜ 10 1, 496 ˜ 10 7,837 ˜ 10 5,909 ˜ 10 7
2
2
11
9
2
=
3
d
12
2
3
lo que muestra efectivamente que T d
2
3
19
[s /m ]
3
19
[s / m ]
[s /m ] 2,975 ˜ 10
3
2
3
2
2
3
[s / m ] 2,977 ˜ 10
2
3
es una constante.
Algunos datos, aproximados a 3 cifras, sobre el Sistema Solar se presentan en la siguiente tabla
Planeta
ds [m]
T [s]
Mercurio
5 , 80 ˜ 10
Venus
1, 09 ˜ 10
Tierra
1, 50 ˜ 10
Marte
2 , 28 ˜ 10
Júpiter
7 , 78 ˜ 10
Saturno
1, 43 ˜ 10
Urano
2 , 87 ˜ 10
Neptuno
4 , 50 ˜ 10
10
11
2
R e [m]
g0 [m / s ]
7 , 60 ˜ 10
6
3 , 30 ˜ 10
23
2 , 44 ˜ 10
6
3,58
1, 94 ˜ 10
7
4 , 87 ˜ 10
24
6 , 05 ˜ 10
6
8,87
7
5 , 97 ˜ 10
24
6 , 38 ˜ 10
6
9,80
23
3 , 40 ˜ 10
6
3,74
7
26,50
11
3 ,16 ˜ 10
11
5 , 94 ˜ 10
7
6 , 42 ˜ 10
11
3 , 74 ˜ 10
8
1, 90 ˜ 10
12
9 , 30 ˜ 10
8
5 , 69 ˜ 10
26
6 , 05 ˜ 10
7
11,17
12
2 , 65 ˜ 10
9
8 , 68 ˜ 10
25
2 , 56 ˜ 10
7
10,49
12
5 , 20 ˜ 10
9
1, 02 ˜ 10
26
2 , 49 ˜ 10
7
13,25
ds
:
distancia media al Sol
T
:
:
período de revolución
masa del planeta
M
M [kg]
27
7 ,15 ˜ 10
Re :
radio ecuatorial del planeta.
g0 :
valor medio de la aceleración de gravedad en la superficie del planeta
MS :
1, 99 ˜ 10 [kg] masa del Sol.
30
En el gráfico siguiente se representa el período de revolución en función de la distancia media al
Sol usando “escalas de potencia de 10” ( escala log-log ). Observe que en tal representación los valores
correspondientes a los diferentes planetas están sobre una misma recta:
342
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Ley de Kepler de los períodos
Kepler obtuvo sus tres leyes empíricamente. Newton mediante las leyes generales del movimiento
más la ley de gravitación fue capaz de deducirlas teóricamente, confirmando así la validez de su ley de
gravitación.
Apliquemos la ley gravitacional de Newton a un movimiento circunferencial y deduzcamos, en este
caso particular, la ley de Kepler de los períodos:
Consideremos un cuerpo de masa m que describe una trayectoria circunferencial de radio R
debido a la atracción gravitacional de otro cuerpo de masa M, mucho mayor que m, que se encuentra en
el centro de la circunferencia.
Si pensamos que en cierto instante dejara de actuar
la atracción gravitacional sobre el cuerpo m, durante un
pequeño intervalo de tiempo ' t el cuerpo se desplazaría
una distancia:
's
v ˜ 't
343
m
R
M
CAPÍTULO IX / FUERZAS
en línea recta tangencial a la circunferencia, siendo v la rapidez de m.
Pero,
para
mantener
la
trayectoria
circunferencial la atracción debida a M haría “caer”
el cuerpo m con una aceleración de magnitud ac
'h 's en:
'h
1
ac ˜ 't 2
R
2
durante ese mismo intervalo ' t
R
Aplicando el teorema de Pitágoras al triángulo rectángulo de la figura anterior obtenemos:
R 's 2
R 'h
2
's
y usando en esta expresión 's
v ˜ 't y
v ˜ 't 2
2
2R ˜ 'h 'h 2
1
'h
2R ˜
R 2R ˜ 'h 'h 2
2
1
2
2
2
ac ǻt resulta:
2
ac ˜ 't 2
2
v
2
ac R ac
4
1
4
˜ 't ˜ ac ˜ 't 2
4
2
> @
Si el intervalo de tiempo 't es muy pequeño 't 1 s , al hacerlo “tender a cero'' obtenemos
que:
Gv la magnitud de la aceleración producida por la fuerza de
gravedad para mantener un cuerpo de masa m describiendo
una órbita circunferencial de radio R con rapidez constante v
es:
ac
v
c
2
R
M
El valor de esta aceleración está determinado por:
Fgrav
m
Ga
G
m˜M
R
2
344
m ac
R
CAPÍTULO IX / FUERZAS
dando:
G˜M
ac
R
2
Al combinar ambas expresiones para ac obtenemos:
v
2
G˜M
R
R
2
esto es, para el radio y la rapidez con que el cuerpo describe una órbita circunferencial se cumple la
relación:
R˜v
2
G˜M
El período de revolución T para un cuerpo en una órbita circunferencial está determinado por:
T
2 SR
v
por lo cual:
T
2
2S ˜ R v
2
2
4S ˜ R
2
v
T
˜
2
4S
2
2
GM
R
2
R
4S
R
GM
˜R
3
3
Si consideramos dos objetos describiendo
distintas órbitas circunferenciales alrededor de
un mismo cuerpo, las relaciones para los
respectivos períodos y radios de las órbitas son:
2
T1
2
2
T
4S
2
3
GM
4S
m1
R1
M
m2
R1
2
GM
3
R2
R2
De lo cual se deduce la ley de Kepler de los períodos:
2
R1
3
2
R2
T1
3
T2
relación que es independiente de la masa de los cuerpos.
345
,
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Ejemplos
x
Sabiendo que el período de revolución de la Luna alrededor de la Tierra es 2 , 36 ˜ 10
6
> s@
y que el
radio orbital de la Luna es de 3 , 84 ˜ 10 >km@ , calcule la masa de la Tierra.
5
Se ha deducido que:
2
3
4 S RL
2
TL
G ˜ MT
por tanto:
2
2
MT
4 S ˜ 3,84 ˜ 10
3
4 S RL
2
G ˜ TL
6, 67 ˜ 10
11
8
3
˜ 2,36 ˜ 10
6
2
6 ˜ 10
24
>kg@
valor aceptable si se toma en cuenta las aproximaciones efectuadas. Se da como masa de la Tierra el
valor 5 , 97 ˜ 10
24
>kg@ .
x
Calcule la altura sobre la línea ecuatorial a que debe ser colocado un satélite de comunicaciones
para que permanezca fijo en su posición respecto a la Tierra.
La condición del problema implica que el período del satélite debe ser de “un día”:
TS
>@
1 d
La ley de Kepler de los períodos nos permite relacionar los valores del período y del radio de
revolución del satélite artificial con los valores correspondientes al satélite natural de la Tierra, la Luna.
> @
y radio de la órbita lunar
Usemos como datos aproximados: período lunar TL 27 día
3
> @
RL 60R T , siendo R T 6, 4 ˜ 10 km el radio de la Tierra.
Entonces el radio de la órbita del satélite R S queda determinado por:
§ TS ·
¨ ¸
© TL ¹
RS
§ TS ·
¨ ¸
© TL ¹
2 3
2
§ RS ·
¨ ¸
© RL ¹
§ 1>día@ ·
˜ RL ¨
¸
© 27 >día@ ¹
346
3
2 3
˜ 60R T
60
9
RT
CAPÍTULO IX / FUERZAS
y la altura hS del satélite sobre la línea ecuatorial es:
hS
51
§ 60 ·
1¸ ˜ R T ˜ 6400 >km@
9
© 9
¹
RS R T ¨
| 3 , 6 ˜ 10 >km@
4
El primer satélite de este tipo, el Syncom 2, fue colocado con éxito en 1963 y tuvo como altura
media 35.710 [km], en una órbita prácticamente circular.
Ejercicios
6
9-58) Los valores mínimo y máximo de la rapidez de la Tierra en su órbita son 2 , 94 ˜ 10 [cm/s] y
6
3 , 06 ˜ 10 [cm/s], respectivamente. Calcule la razón entre la distancia máxima y mínima de la Tierra al
Sol.
9-59) Un satélite artificial terrestre describe una órbita cuyo perigeo y apogeo están, respectivamente, a
100[km] y a 500[km] sobre la superficie de la Tierra. Calcule la razón entre las rapideces del satélite en
tales puntos.
8
8
9-60) Las distancias extremas de Marte al Sol son 2 , 49 ˜ 10 [km] y 2 , 07 ˜ 10 [km]. Calcular su rapidez
máxima, sabiendo que su rapidez mínima es 21,96[km/s].
9-61) Considere dos satélites artificiales en órbita a la Tierra. El satélite S1 describe una órbita
perfectamente circular a 500[km] de altura sobre la Tierra y el S2 describe una órbita elíptica tal que, su
altura mínima sobre la Tierra es 400[km], mientras que su altura máxima sobre la Tierra es 600[km]. ¿En
qué razón están los períodos de revolución de estos satélites?
4
6
9-62) Los períodos de los satélites Mimas y Titán de Saturno son 8 ,18 ˜ 10 [s] y 1, 38 ˜ 10 ,
5
6
respectivamente. Si sus distancias medias a Saturno son respectivamente 1, 82 ˜ 10 km] y 1, 23 ˜ 10 [km]
compruebe la ley de Kepler de los períodos.
5
9-63) Europa, satélite de Júpiter, tiene una distancia media a ese planeta de 6 , 71˜ 10 [km] y un período
5
7
de revolución de 3 , 07 ˜ 10 [s]. Poseidón, también satélite de Júpiter, tiene un período de 6 , 38 ˜ 10 [s].
Calcular la distancia media de Poseidón a Júpiter.
347
CAPÍTULO IX / FUERZAS
9-64) El semieje mayor de la órbita del primer satélite artificial de la Tierra, el Sputnik I, era 400[km]
menor que el semieje mayor de la del Sputnik II. El período de rotación del Sputnik I alrededor de la
Tierra, recién puesto en órbita era de 96,2[min]. Hallar la magnitud del eje mayor de la órbita del Sputnik
II y su período de revolución alrededor de la Tierra.
9-65) Comparar la aceleración del Sol hacia la Tierra debido a la atracción terrestre, con la aceleración
de la Tierra hacia el Sol debido a la atracción gravitacional solar.
9-66) Calcule la rapidez que debe tener un satélite terrestre para que describa una órbita circular en
torno a la Tierra a 400[km] de altitud. Calcule el período de rotación y la rapidez angular de ese satélite.
9-67) ¿Puede un satélite cuya rapidez es 100[km/h] estar en órbita circunferencial en torno a la Tierra?
9-68) Si la Luna tuviera dos veces su masa actual, pero se moviera en la misma órbita que lo hace
ahora, ¿cuál sería su período de revolución?
9-69) Si la rapidez orbital de la Luna fuera duplicada, manteniéndose ella en una órbita circular, ¿cuál
debería ser el radio de esta nueva órbita? ¿Cuál sería el nuevo período de revolución?
6
9-70) Calixto, satélite de Júpiter, tiene un período de revolución de 1, 442 ˜ 10 [s] y su distancia media al
6
planeta es 1, 87 ˜ 10 [km]. Usando sólo estos datos y la constante gravitacional, calcule la masa de
Júpiter.
9-71) Dos satélites giran alrededor de diferentes planetas a la misma distancia media R. Uno de los
satélites tiene un período igual a tres veces el del otro. Calcular la razón entre las masas de los planetas.
9-72) Si el radio de la órbita de un planeta A fuera el doble que el de un planeta B, calcule las razones
de sus períodos, de sus rapideces orbitales y de sus aceleraciones hacia el Sol.
9-73) Se ha encontrado que nuestra galaxia está rodeada por varias galaxias enanas. Por variadas
razones se supone que están ligadas gravitacionalmente a nuestra galaxia. Consideremos una de ellas
llamada Sculptor. Su distancia al centro de nuestra galaxia es de 2, ˜ 10
6
23
>cm@ . La masa de dicha galaxia
6
es de 3 , ˜ 10 veces la del Sol. La masa de nuestra galaxia es aproximadamente 4 , ˜ 10 veces la del Sol.
Suponga que la galaxia Sculptor orbita circularmente en torno a la nuestra. Calcule el período de
revolución y la velocidad orbital de Sculptor.
348
CAPÍTULO IX / FUERZAS
9-74) Considere los siguientes datos de algunos de los primeros satélites artificiales de la Tierra:
Masa
[kg]
Periodo
[min]
Altitud [km]
Satélite
Año
Sputnik 1
1957
83
96,2
229
946
Explorer 7 1958
14
114,8
360
2531
Perigeo
Apogeo
Vostok 1
1961
4725
89,3
175
303
Midas 3
1961
1588
161,5
3426
3465
Aloutte 1
1962
145
105,4
998
1030
Luna 4
1963
1422
42000,0
90123
700064
Syncom 2
1963
39
1460,4
35707
35715
Use estos datos para controlar si en el movimiento de los satélites artificiales se cumple la ley de
Kepler de los períodos. Construya un gráfico del período de revolución en función de la distancia media al
centro de la Tierra, análogo al construido para los planetas.
Interacción electrostática
Hemos mencionado que las fuerzas
entre átomos y moléculas son esencialmente
manifestaciones
de
la
interacción
electromagnética. Numerosos fenómenos,
como los luminosos, la transmisión de radio,
televisión y radar, el análisis por rayos X y
otros,
dependen
de
la
interacción
electromagnética. Trataremos a continuación
sólo de interacciones entre partículas
eléctricamente cargadas que están en reposo
respecto a un observador que mide estas
interacciones.
Seguramente usted ha realizado en múltiples ocasiones el siguiente experimento: ha frotado un
lápiz de plástico y al acercarlo a pequeños pedacitos de papel observó que fueron atraídos por el lápiz.
También usted debe haber observado chispas que saltan al sacarse prendas de vestir de fibras
sintéticas. En ambos casos se ha encontrado con efectos de la interacción eléctrica. Ya en el siglo VII
A.C., en Grecia, se había detectado que el ámbar frotado atraía trozos de paja colocados en su vecindad.
Para describir la interacción eléctrica se introdujo en Física el concepto de carga eléctrica.
Diversas experiencias con cuerpos que han sido frotados, realizadas ya en el siglo XVII muestran
que, dependiendo de los materiales empleados, los cuerpos se atraen o se repelen. Este doble efecto
entre los cuerpos así electrizados se explica diciendo que al frotar un cuerpo éste adquiere una u otra de
dos clases de cargas eléctricas, llamadas positiva y negativa. Las mismas experiencias permiten concluir
que cuerpos electrizados con cargas del mismo signo se repelen y de distinto signo se atraen.
349
CAPÍTULO IX / FUERZAS
ebonita
vidrio
+
+
piel
seda
+
+
La carga eléctrica es una de las propiedades características de las partículas fundamentales. Se ha
determinado experimentalmente que las partículas detectadas a la fecha tienen carga eléctrica, positiva o
negativa, de igual valor absoluto que la del electrón o que son eléctricamente neutras (carga cero).
carga del electrón = e
carga del protón = e
carga del neutrón = 0
donde e representa la carga elemental cuyo valor es
e
1, 602176487 r 0,000000040 ˜ 10 >C@
19
1, 6 ˜ 10
19
>C @
Hemos usado la unidad de carga eléctrica:
Un Coulomb . . . . . 1 [C] ,
que es la unidad incorporada en el Sistema Internacional de Unidades de Medición.
El hecho de cargar un cuerpo se explica como una transferencia de partículas con carga eléctrica.
Por ejemplo, si una barra de ebonita se frota con un trozo de piel, se transfieren electrones desde la piel a
la ebonita, quedando ésta con un exceso de carga negativa y la piel con un defecto de carga negativa, es
decir, la carga neta en la ebonita es negativa y en la piel es positiva. Cargar un cuerpo no es crear cargas
eléctricas. Es un principio en Física que la carga eléctrica se conserva; la suposición que la carga del
Universo es constante e igual a cero está de acuerdo con las observaciones y teorías cosmológicas
actuales.
350
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Ley de Coulomb
Mediante cuidadosos experimentos, Coulomb
logró obtener una ley de fuerzas para la interacción
entre dos pequeñas esferas metálicas cargadas. En sus
experimentos controló la magnitud de las cargas de las
esferas poniéndolas en sucesivos contactos con otras
esferas iguales y descargadas, suponiendo que así
obtenía reducciones de las cargas iniciales a la mitad,
cuarta parte, etc. Para medir la magnitud de la fuerza de
interacción electrostática usó una balanza de torsión. La
ley de interacción electrostática formulada por Coulomb
es:
F
kc
Q1 ˜ Q 2
d2
siendo:
F : la magnitud de la fuerza de interacción
Q1 y Q 2 : los valores absolutos de las cargas
de las pequeñas esferas.
d: la distancia entre los centros de las esferas.
k c : una constante; su valor depende del sistema de
unidades usado.
G
G
F2o1 F2o1 G
Q1
F2o1
Q1
Q1
d
G
Q2
d
F1o2
G
F2 o 1
G
F1 o 2
Ÿ
G
F2 o 1
351
d
G
F1o2
Q2
En cada una de las situaciones ilustradas se cumple:
G
G
F1 o 2
Q2
F1o2
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Note que la ley de Coulomb, presentada por él a la Academia de Ciencias de Francia en 1785,
tiene similar estructura matemática que la ley de gravitación universal de Newton. Estrictamente, la ley de
Coulomb rige para cargas puntuales o partículas cargadas en reposo relativo. Su validez se mantiene
aún en situaciones atómicas y subatómicas.
Usando las unidades del Sistema Internacional de Medidas, 1[m] para distancia, 1[N] para fuerza
y 1[C] para carga eléctrica, la constante k c en la ley de Coulomb queda definida en función de la
velocidad de propagación de la luz en el vacío como:
ª N s2 º 2
10 « 2 » ˜ c
¬C ¼
7
kc
ª Nm2 º
8.897.551.787, 4... « 2 »
¬C ¼
Para cálculos es suficiente usar el valor aproximado:
9
2
2
k c 9,0 ˜ 10 ª¬N ˜ m C º¼
Considerando que, dim(tiempo)
k c ˜ Q1 ˜ Q 2
d
obtenemos que dim k c de la ley F
, dim(longitud)
2
3
donde:
G
Q1 G
FNetao1 G
F3o1 Q2 Q3 G
F2o1 F3o1
G
F2 o 1 es la fuerza coulombiana que la carga Q2 ejerce sobre Q1
G
F3 o 1 es la fuerza coulombiana que la carga Q3 ejerce sobre Q1
La solución para casos de más de tres cargas es análoga.
;
G
F2o1 superposición o suma vectorial:
G
y dim(carga)
2
Hacemos notar que se ha comprobado
experimentalmente que al interactuar más de
dos cargas en reposo, la fuerza coulombiana
neta sobre una de ellas es la superposición de
las fuerzas ejercidas separadamente por cada
una de las otras cargas sobre esa carga
considerada.
Por ejemplo, si tenemos tres objetos
cargados en reposo que interactúan entre sí, la
fuerza eléctrica neta que actúa sobre Q1 es la
Fnetao1
, dim(masa)
2
352
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Ejemplos
x
En cada vértice de un cuadrado de 2,0[cm] de lado
están colocados pequeños cuerpos con cargas:
Q1
Q3
>C@ ,
7
3,2 ˜ 10 >C@ .
3, 6 ˜ 10
7
Q2
4,1 ˜ 10
Q4
7
>C@
Q2
Q1
A
y
Q3 Q4
Calcule la magnitud y dirección de la fuerza eléctrica resultante sobre la carga Q1 .
G
G
Sean F2o1 , F3 o1 y
actúan
sobre
Q1
G
G
F4 o1 las fuerzas que
debido
a
Q2 ,
Q3
y
G
G
F2o1 F4o1 F4o1 Q 4 respectivamente.
Aplicando la ley de Coulomb:
F
kc
Q2
Qa ˜ Qb
d Q1
2
a,b
para las magnitudes de cada una de esas
interacciones resulta:
Q3 7
9 , 0 ˜ 10
F3 o1
9 , 0 ˜ 10
9
F4 o1
9 , 0 ˜ 10 ˜
F2o1
7
2
2
7
7
2 ˜ 2 , 0 ˜ 10
2
2
3, 6 ˜ 10 ˜ 4,1˜ 10 2, 0 ˜ 10 7
9
7
2
2
La fuerza electrostática neta que actúa sobre Q1 es igual a:
G
Fnetao1
A
3, 6 ˜ 10 ˜ 4,1˜ 10 3 , 3 >N@
˜
2,0 ˜ 10 3, 6 ˜ 10 ˜ 3 , 2 ˜ 10 1,3 >N@
˜
9
G
G
G
F2o1 F3 o1 F4 o1
353
G
G
F3o1 3 , 3 >N@
F2o1 A
Q4
CAPÍTULO IX / FUERZAS
G
G
G
G
Dado que F2o1 y F4o1 tienen igual magnitud y son perpendiculares, resulta que F2o1 F4 o1 tiene
G
dirección opuesta que F3o1 y por tanto:
G
Fnetao1
G
F F 2
2 o1
G
G
F2o1 F4 o1 F3 o1
Fnetao1
2
F3 o1
4 o1
> @
2
2F
2
2 o1
F3 o1
> @
2 ˜ 3,3 1,3 N 3, 4 N
G
La dirección de Fnetao1 forma un ángulo de 135° con el trazo determinado por las partículas con
cargas Q1 y Q 4 .
x
Q2
Dos pequeños cuerpos fijos y separados 16[cm], tienen cargas
4 , 0 ˜ 10
6
>C@ .
Q1
9 , 0 ˜ 10
6
>C@
y
Calcule a qué distancia de Q2 hay que colocar un tercer cuerpo con carga Q3 , de
modo que quede en equilibrio.
G
G
Sobre la carga Q3 actúan dos fuerzas F1o3 y F2o3 , debido a sus interacciones con las cargas Q1 y
Q2 respectivamente. Para que la carga Q3 quede en reposo, la suma de estas fuerzas debe ser nula;
esto es:
G
G
G
Fneta→3 = F1→3 + F2→3 = 0
Las direcciones de tales fuerzas dependen del signo de las cargas; sus magnitudes, según la ley
de Coulomb, dependen de los valores absolutos de las cargas y de las distancias que las separan:
F1o3
kc
Q3 ˜ Q1
d y
2
F2o3
3,1
kc
Q3 ˜ Q2
d 2
3,2
Debemos por tanto hacer un estudio previo para determinar la posibilidad física de que Q3 pueda
estar en equilibrio en el trazo que une las cargas Q1 y Q2 , o en la prolongación de ese trazo.
Veamos qué ocurre si intentamos colocar Q3 entre las dos cargas:
G
Q1
Q3
F1 o 3
G
G
Q2
Q1
F2o1
d3,1
F1 o 3 Q
3
G
F2o3
d3,1
d32
354
Q2
d3,2
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Si Q3 es positiva, resulta repelida por Q1 y atraída por Q2. Si Q3 es negativa, ella es atraída por Q1 y
repelida por Q2. Luego, como para cada caso las respectivas fuerzas tienen igual dirección, no es posible
encontrar un punto entre las cargas Q1 y Q2 de modo que ellas mantengan en equilibrio a Q3.
Si intentamos colocar Q3 a la izquierda de Q1:
G
F1 o 3
Q3 G
F2o3
Q1
G
Q2
F2 o 3
G
Q3 F
1o 3
d3,1
Q1
Q2
d3,1
d3,2
d3,2
Q1 > Q2
resulta que la magnitud de la fuerza de repulsión o atracción producida por Q1 es siempre mayor que la
magnitud de la fuerza de atracción o repulsión producida por Q 2 ya que:
y
Q1 > Q 2
d3 1 d3 2 o F1o3 ! F2o3 según la ley de Coulomb.
Por tanto no se logra el equilibrio al colocarla en dicha posición.
Finalmente, estudiemos la situación en que Q3 esté a la derecha de Q2:
Q1
G
Q2
F2 o 3
G
Q1
Q3 F1 o 3
Q2
d3,2
d3,2
d3,1
d3,1
Q1 > Q 2
Dividiendo miembro a miembro las ecuaciones para las magnitudes de las fuerzas
F1o 3
G
F1o3
kc
Q3 ˜ Q1
d3,1 2
y
355
F2o3
kc
Q3 ˜ Q2
d3,2 2
G
Q3 F2o3
CAPÍTULO IX / FUERZAS
obtenemos:
G
F1o3
Q1
F2o3
Q2
G
En este caso, para que sea F1o3 F2o3
F1o3
§ d3,2 ·
˜ ¨
¸
© d3,1 ¹
2
0 es necesario que se cumpla que
F2o3 , implicando:
Q1
Q2
§ d3,2 ·
˜¨
¸
© d3,1 ¹
Q2
Q1
2
1
d
Q3
x
Hagamos:
d3,2
y
x
d3,1
d x,
con x ! 0
2
y llamemos J al valor absoluto de la razón entre las cargas:
Q2
Q1
J2 ,
con 0 J 1
si
Q1 ! Q2
entonces:
§ x ·
˜
¸
2 ¨
J ©d x¹
1
J
x
1 J
2
1
d
lo que nos indica que es posible encontrar una posición de equilibrio al colocar Q3 a la derecha de Q2 y
que tal posición es independiente del signo de la carga Q3.
9 , 0 ˜ 10
Usando los datos numéricos Q1
6
2
4 , 0 ˜ 10
6
4,0 ˜ 10 [c]
Q2
J
>C@ , Q
6
9,0 ˜ 10 [c]
Q1
6
>C@ y d
4
2
9
3
16 >cm@ 0 ,16 >m@ :
de donde se puede obtener la distancia x:
x
2/3
1/ 3
d
2d
0,32[m]
esto es, la carga Q3 permanece en equilibrio al ser colocada a 32[cm] a la derecha de Q2 en la
prolongación del trazo que une a Q1 y Q2 .
356
CAPÍTULO IX / FUERZAS
x
En ciertos núcleos masivos (número másico A >200) se presenta el fenómeno de fisión
espontánea, esto es, el núcleo se divide espontáneamente en varios fragmentos. Por ejemplo, el uranio
238
238
92
U
se puede fisionar espontáneamente en
itrio 98
39
Y
98
,
yodo 139
139
53
I
y un neutrón
n
1
0
esto se puede escribir como:
238
92
o
U
39
Y
98
139
53
I
Suponiendo que “justo” después de la fisión los núcleos
1
0n
39
Y
98
139
y
53
I
tienen sus centros a una
distancia de 12[F] , estime la magnitud de la fuerza de repulsión eléctrica entre ellos.
Dado que la carga de un núcleo de número
atómico Z es Ze, positiva, la magnitud de la fuerza
eléctrica entre los núcleos
39
Y
98
y
139
53
I
está dada,
12[F]
aproximadamente, por:
FY o I k c
Q Y ˜ QI
d
9
kc
2
9,0 ˜ 10 ˜
3
+53e
+39e
39e ˜ 53e d
39 ˜ 53 ˜ 1, 6 ˜ 10
12 ˜ 10 15
2
19
2
2
ª m2 C ˜ C º
«N C2 ˜ m2 »
¬
¼
> @
3,3 ˜ 10 N
Con el objeto de adquirir cierto sentido físico de lo que puede significar una fuerza de esa magnitud
22
actuando sobre núcleos, estimemos la rapidez que alcanzarían tales núcleos en unos 10 [s] , tiempo
que emplea la luz en recorrer una distancia de 30[F]. Supongamos, para tal estimación, que la interacción
nuclear hubiese dejado de actuar, que la fuerza coulombiana se mantuviese constante en ese tiempo y
que los fragmentos tuviesen rapidez despreciable al separarse, entonces;
v Y a y 't
FI o Y
mY
't
y
vI FY oI
mI
y usando como valores aproximados de las masas
>@
m Y 98 u
y
357
>@
mI 139 u
't
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Resulta:
3,3 ˜ 10 >N@
3
vY 98 ˜ 1,7 ˜ 10
27
¬ªkg¼º
˜ 10
3,3 ˜ 10 >N@
22
>s@ 1,98 ˜ 10 6 >m/s@
3
vI 139 ˜ 1,7 ˜ 10
27
ª¬kgº¼
˜ 10
22
>s@ 1, 40 ˜ 106 >m/s@
de donde notamos que el orden de magnitud de estas rapideces corresponde a unos milésimos de la
rapidez de propagación de la luz en el vacío.
x
Suponga que dos electrones estuviesen en reposo a una distancia de 1[Å] . Compare la interacción
gravitacional y la interacción electrostática entre ellos.
La masa y la carga del electrón son:
respectivamente:
me 9,1 ˜ 10
31
qe 1, 6 ˜ 10
G
¬ªkg¼º
19
G
Fe
>C@
Fg
G
Fg
G
Fe
La magnitud de la fuerza de atracción gravitacional entre los electrones es:
Fg
G
me ˜ me
d
2
9,1 ˜ 10 10 31
6,7 ˜ 10
11
2
>N@ 6, ˜ 10 51 >N@
2
10
La magnitud de la fuerza de repulsión electrostática entre los electrones es:
Fe
kC
qe ˜ qe
d
2
1, 6 ˜ 10 10 19
9,0 ˜ 10
9
10
2
2
>N@ 2 ˜ 10 8 >N@
El cuociente entre las magnitudes de la fuerza gravitacional y la electrostática es:
Fg
Fe
>N@
43
10
2, ˜ 10 >N@
6, ˜ 10
51
8
Este resultado pone de manifiesto lo extremadamente “débil” que es la interacción gravitacional
comparada con la interacción electrostática. Por tal razón la interacción gravitacional no influye en
situaciones atómicas y nucleares.
358
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Uno de los modelos más simplificados del átomo de hidrógeno es el ideado por Bohr. Supone que
el electrón gira alrededor del núcleo, pudiendo describir sólo ciertas órbitas de radios determinados. Bohr
postuló que para los radios Rn de tales órbitas debe cumplirse que 2S ˜ Rn ˜ me ˜ v n nh siendo me la
masa del electrón, v n la rapidez del electrón en la órbita de radio Rn, h la constante de Planck y n un
entero positivo. Postuló además que para el electrón en cada una de esas órbitas rige la interacción
coulombiana con el protón. Determine los valores posibles del radio de la órbita y la rapidez del electrón.
G
La
fuerza
de
atracción
G
eléctrica
vn Fpoe que el protón ejerce sobre el electrón
G
G
produce la aceleración centrípeta ac del
ac electrón en órbita alrededor del protón, al
que consideramos inmóvil. Entonces,
usando
la
ley
de
Newton
G
F
G
Rn
Fpoe G
ma obtenemos:
me ˜ ac
Fpoe
kc
Protón
e ˜ e
2
Rn
2
Rn ˜ v n
2
me ˜
kc ˜ e
vn
Rn
2
me
Del postulado 2S Rn me v n
nh escribimos:
nh
Rn ˜ v n
2 S me
2
Haciendo el cuociente de las ecuaciones para Rn ˜ v n y Rn ˜ v n resulta:
vn
2Sk c ˜ e
2
h
˜
1
n
con lo cual:
Rn
h
2
2
2
4 S ˜ k c ˜ e ˜ me
n
2
Usando los valores experimentales, aproximados:
e 1, 6 ˜ 10
19
me 9 ,1˜ 10
>C@ ,
31
¬ªkg¼º ,
carga elemental
masa del electrón
9
k c 9 , 0 ˜ 10 ª¬«N˜ m2 / C2 º¼» , constante de interacción coulombiana
h 6, 6 ˜ 10
34
¬ªN ˜ m ˜ s ¼º ,
constante de Planck
359
Electrón
CAPÍTULO IX / FUERZAS
podemos calcular el menor radio (n = 1) de las órbitas del electrón en el modelo de Bohr:
h
R1
2
2
2
4 S ˜ k c ˜ e ˜ me
6, 6 ˜ 10
34
ª¬N ˜ m ˜ s º¼
2
19
2
9
2
2
4 S ˜ 9,0 ˜ 10 ª¬N ˜ m C º¼ ˜ 1,6 ˜ 10 >C@
6,6 2
2
˜ 9,1 ˜ 10
31
ª¬kgº¼
2
2
2
ª
º
N ˜m ˜s
« N ˜ m2 ˜ C2 ˜ C2 ˜ kg »
2
4 S ˜ 9,0 ˜ 1, 6 ˜ 9,1 ¬
¼
˜ 10
68 9 38 31
2
8
ª N ˜ s2 º
10
§ 6,6 ·
¨
˜
¸
«
»
© 2S ˜ 1,6 ¹ 9,0 ˜ 9,1 ¬ kg ¼
5,3 ˜ 10
11
>m@ 0,53 > Å @
este valor R 0,53 [Å] nos informa del tamaño de un átomo de hidrógeno en su “estado fundamental”.
1
Las expresiones obtenidas para los valores posibles del radio de la órbita y las correspondientes
rapideces del electrón, permiten calcular las energías de los “estados permitidos” del átomo de hidrógeno
y predecir el espectro de la luz emitida por él, que fue un objetivo de Bohr al construir su modelo atómico.
Ejercicios
9-75) ¿Cuánto debería ser la separación entre los centros de dos esferas cargadas para que la magnitud
de la fuerza coulombiana sea 1[N] si la carga neta en cada una de ellas fuera 1[C] ?
9-76) Determine el número de electrones en exceso que deben estar en la superficie de cada una de dos
pequeñas esferas, cuya distancia es de 3[cm], para que la magnitud de la fuerza de repulsión eléctrica
entre ellas sea de 5 ˜ 10
11
>N@ .
9-77) Cada una de dos pequeñas esferas está cargada positivamente. La suma de las cargas de ambas
esferas totaliza 2 , 6 ˜ 10
8
>C@ . ¿Cuál es la carga de cada esfera si ellas se repelen con una fuerza de
3,0[dina] cuando la distancia entre sus centros es de 4,0[cm]?
9-78) Un pequeño objeto con carga de 16 [nC] se coloca a 12[cm] de otro objeto con carga de 30[nC].
Calcule la magnitud, en dinas, de la fuerza coulombiana entre ellos.
360
CAPÍTULO IX / FUERZAS
9-79) Un cuerpo suspendido como se muestra en la
figura adjunta tiene una carga Q negativa. Determine
el valor y signo de la carga q de un cuerpo de masa
m situado verticalmente debajo de Q a la distancia d
para que no suba ni baje.
M, Q
G
d
g
m, q
Tierra
9-80) ¿Cómo y en cuánto debe alterarse la separación de dos objetos cargados para mantener la
magnitud de la fuerza electrostática entre ellos constante, si la carga de uno de ellos se triplica y la carga
del otro se reduce a la mitad?
9-81) Suponga
que
tres
partículas
eléctricamente cargadas están colocadas como
se indica en la figura. La distancia d es
constante. Las cargas de las partículas están
Q2 Q1 y
Q3 2Q1 .
relacionadas por
Q2
Q1
Q3
x
Determine la posición de la partícula con carga
Q2 para que la fuerza electrostática resultante
d
sobre ella sea nula.
9-82) Dos esferas metálicas de 0,20[kg] de masa cada una, y con igual carga neta se hallan a cierta
distancia entre sí. Calcule la carga de las esferas si a esa distancia la magnitud de la fuerza electrostática
es un millón de veces mayor que la de la fuerza gravitacional entre ellas.
9-83) Dos cuerpos cuyas cargas Q son
positivas e iguales están fijos a una distancia 4a.
Un cuerpo con carga q experimenta una fuerza
G
G
Q
G
Q
B
a
FA al estar colocado en el punto A y una fuerza
G
A
a
4a
FB en B . Exprese FB en término de FA cuando
q es positiva y cuando es negativa.
9-84) Considere dos partículas con cargas Q1 y Q2 situadas a una distancia dada. Discuta los signos
que pueden tener Q1 , Q2 y una tercera carga Q3 para que esta última tenga la posibilidad de quedar
en equilibrio entre Q1 y Q2 .
361
CAPÍTULO IX / FUERZAS
9-85) Dos partículas fijas a distancia 3d tienen cargas
eléctricas Q1 Ne y Q 2 2Ne , siendo N un entero
M
Q
Q1
positivo. Entre ellas se coloca otra partícula de masa
M y carga eléctrica Q 3Ne . Determine la
aceleración (magnitud y dirección ) de la partícula con
carga Q en la posición indicada. ¿Cuál será la
aceleración de esa partícula cuando esté a una
distancia 2d de Q1 ? ¿Dónde su aceleración será 0?
Q2
d
3d
9-86) Se tienen dos pequeñas esferas con cargas positivas 4Q y Q respectivamente, separadas por una
distancia a. ¿Dónde debería ponerse una tercera esferita y cuál debe ser el signo y el valor de su carga
para que el sistema formado por las tres esferitas esté en equilibrio debido sólo a las fuerzas eléctricas?
A
9-87) Las tres esferitas A, B y C están fijas en las
posiciones mostradas en la figura. La esfera C está
positivamente cargada y las esferas A y B tienen cargas
de igual valor absoluto. Determine la dirección de la
fuerza eléctrica neta que actúa en la esfera C, cuando
las cargas en A y B son ambas negativas, cuando son
ambas positivas y cuando una es positiva y la otra es
negativa.
a
C
a
b
B
9-88) En la base de un triángulo equilátero de 2,0[cm] de lado hay tres partículas con cargas iguales a
1, 6 ˜ 10
7
> C@
cada una, situadas una en cada vértice y la tercera en el punto medio de la base. Determine
la dirección y magnitud de la fuerza neta que actúa sobre una cuarta partícula con una carga de
3 , 2 ˜ 10
7
>C@
y colocada en el tercer vértice, debida a la interacción eléctrica con las tres primeras
partículas cargadas.
Q4
9-89) Las cargas indicadas en la figura
adjunta tienen valores:
Q2
3,9 ˜ 10
Q3
Q4
6
Q5
3, 2 ˜ 10
Q1
1,7 ˜ 10
6
>C @
>C @
Q3
Q5
6
>C@
Q1
12[cm]
5,0[cm]
Q2
Calcule la magnitud y dirección de la fuerza neta que actúa sobre Q5 debida a la interacción con las otras
cuatro partículas cargadas.
362
CAPÍTULO IX / FUERZAS
9-90) Suponga que un electrón y un protón estuviesen en reposo a una distancia de 1[Å]. Compare la
interacción gravitacional y la interacción electrostática entre ellos.
9-91) Calcule la fuerza de repulsión coulombiana entre los dos protones de una molécula de hidrógeno
considerando que su separación es 0 , 74 ˜ 10
10
>m@ .
Compárela, por cuociente, con la atracción
gravitacional entre ellos.
9-92) El radium
88
Ra
226
decae radiactivamente en radón 86
Rn
222
emitiendo una partícula D 2
He
4
.
Calcule la fuerza de repulsión eléctrica entre el núcleo de Rn y la partícula D cuando están a
5 ˜ 10
11
>cm@ de distancia y la correspondiente aceleración de la partícula D .
9-93) Una de las fisiones del uranio 235 inducida por neutrones es:
0
n
1
92
U
235
o
40
Zr
99
52
Te
134
3 0n
1
Calcule aproximadamente la magnitud de la repulsión eléctrica entre los núcleos del circonio y del telurio
inmediatamente después de la fisión.
9-94) La constante de Planck es h
6, 626176 36 ˜ 10
34
>N ˜ m ˜ s@ .
Exprese la dimensión de h en
términos de las dimensiones de tiempo, longitud, masa y carga eléctrica.
9-95) Compruebe que según el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno, la rapidez del electrón en la
primera órbita n
1 es aproximadamente c 137 , siendo c la rapidez de propagación de la luz en vacío.
9-96) Calcule según los resultados del modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno el número de
revoluciones por segundo que ejecutaría el electrón en torno al protón en la órbita más interna.
9-97) En el estudio del átomo de hidrógeno se obtienen las cantidades físicas
D
2S ˜ k c ˜ e
c ˜h
2
2
,
E
2
2S ˜ k c ˜ me ˜ e
h
2
4
2
y
R
2
2S ˜ k c ˜ me ˜ e
c ˜h
4
2
donde me es la masa del electrón, e es el valor absoluto de la carga del electrón, k c es la constante de
interacción electrostática, h es la constante de Planck y c es la rapidez de propagación de la luz en el
vacío. Determine las dimensiones de D , E y R . Calcule los valores de D , E y R usando el Sistema
Internacional de Unidades.
363
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Unidades de fuerza y de masa
A través del estudio realizado hemos ido introduciendo diversas cantidades físicas. A cada
cantidad física le asociamos una correspondiente dimensión física como un símbolo que representa a la
cantidad física independientemente de sus valores en casos particulares. Así, por ejemplo, la cantidad
física tiempo tiene una dimensión única, bien determinada, la que simbolizamos por , la aceleración
tiene una dimensión característica que anotamos dim(aceleración) . Se ha encontrado que es muy
conveniente expresar las dimensiones de algunas cantidades físicas como combinación de las
dimensiones de otras cantidades físicas, de este modo, decimos que dim(rapidez)
˜
1
. Esto nos
lleva a agrupar las dimensiones en básicas y derivadas. La elección de las dimensiones básicas, en sí
arbitraria, queda en parte condicionada por las características de algunas cantidades físicas que se
presentan como naturalmente más simples o directas.
En Física se acostumbra a elegir como dimensiones básicas, entre otras, a las de tiempo, longitud
y masa. En ingeniería, se usa a veces un sistema alternativo de unidades en el cual se escogen como
fundamentales las dimensiones de tiempo, longitud y fuerza, pasando la masa a ser una dimensión
derivada. Este sistema es llamado “Sistema Técnico de Unidades”.
Los dos sistemas se comparan en el siguiente diagrama.
Sistema Físico
B
Á
S
I
C
A
S
D
E
R
I
V
A
D
A
S
Sistema Técnico
Cantidad
física
Dimensión
física
Cantidad
física
Dimensión
física
tiempo
longitud
masa
tiempo
longitud
fuerza
fuerza
velocidad
aceleración
densidad
–2
–1
–2
–3
masa
velocidad
aceleración
densidad
–1 2
–1
–2
–4 2
Este cuadro, que es evidentemente incompleto, será ampliado cuando hablemos de manera
especial de análisis de dimensiones de cantidades físicas.
364
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Al usar conjuntos de unidades de medición en los que las unidades correspondientes a las
cantidades físicas de tiempo, longitud y masa, se consideran independientes hablamos de Sistemas
Físicos de Unidades. Análogamente, si las unidades que, en particular, se consideran independientes son
las de tiempo, longitud y fuerza hablamos de Sistemas Técnicos de Unidades.
MKS
Sistemas Físicos de Unidades
Métricos
CGS
Inglés
Sistemas Técnicos de Unidades
Métrico
Inglés
Esta agrupación simplificada de conjuntos de unidades de medición es suficiente para nuestros
propósitos actuales de trabajar con diversas unidades de medición de masa y fuerza.
Sistemas físicos métricos de unidades
Usando las unidades 1[m] , 1[kg] y 1[s] para expresar las mediciones de longitud, masa y tiempo,
se configura el sistema llamado MKS, que forma parte del Sistema Internacional de Unidades ( SI ). En
este sistema la unidad de fuerza es 1[N], de modo que si un cuerpo de 1[kg] de masa se mueve con una
aceleración de 1[m/s2] la magnitud de la fuerza neta que actúa sobre él es de 1[N]:
F
G
a
m˜a
1[m/s2]
G
por tanto:
1 ª¬kgº¼ ˜ 1 ªm s
¬
2
º
¼
1 ª¬Nº¼
1 ª¬Nº¼ 1 ªkg ˜ m s
¬
2
F
1[kg]
º
¼
365
1[N]
CAPÍTULO IX / FUERZAS
El peso de un cuerpo de 1[kg] de masa en un lugar
en que la aceleración de gravedad tiene el valor
“normal”
gn
9,80665 ª¬m s
2
º¼ , valor fijado por
G
acuerdo internacional en 1901, es:
> @
Pn = 9,80665 >N@
Pn = M ˜ gn
1 kg ˜ 9,80665 ª¬m s
9,80665[N]
gn
2
º¼
1[kg]
Tierra
Si se eligen las unidades 1[cm] , 1[g] y 1[s] para expresar las unidades de longitud, masa y tiempo
respectivamente, resulta el sistema CGS. En este sistema la unidad de fuerza es 1[dina].
G
Tenemos las equivalencias:
1>dina@ 1 ª¬g ˜ cm s
1>dina@ 10
5
2
a
º¼
1[cm/s2]
G
F
1[g]
>N@
1[dina]
Sistema físico de unidades inglesas
Toma como base las unidades de tiempo, longitud y masa:
1[s]
, 1[ft]
y
1[lb]
Usa como unidad de fuerza:
Un poundal . . . . . 1[pdl]
definida, de acuerdo a la ley F
m ˜ a , por:
1>pdl@ 1>lb@ ˜ 1 ª¬ft s
2
º¼
1 ª¬lb ˜ ft s º¼
2
Para obtener la equivalencia entre esta unidad inglesa de fuerza y la unidad 1[N] del sistema
métrico, recordamos las equivalencias:
1> ft @ 0 , 3048 >m@
1>lb@ 0 , 45359237 >kg@
y
y con las cuales resulta:
366
CAPÍTULO IX / FUERZAS
1>pdl@
0 , 4536 >kg@ 0 , 3048 >m@
2
˜
1 ª¬lb ˜ ft s º¼ ˜
1>lb@
1> ft @
0 , 4536 ˜ 0 , 3048 ª¬kg ˜ m s º¼
2
1>pdl@ 0 ,1383 >N@
Sistema técnico métrico de unidades
En este sistema se escogen como unidades básicas 1[s] , 1[m] y 1[kp] correspondiente a las
cantidades físicas tiempo, longitud y fuerza, respectivamente.
Un kilopond . . . . . 1[kp]
El kilopond se define como la fuerza que
ejerce el “kilogramo patrón” sobre su apoyo en un
lugar de “aceleración de gravedad normal”.
1[kg]
G
gn
1 [kp]
Para esta unidad de fuerza se han usado también los nombres y símbolos siguientes:
Un kilogramo fuerza . . . . . 1[kg-f]
Un kilogramo peso . . . . . 1[kg-p]
JG
El kilogramo fuerza o kilogramo peso en algunos libros se simboliza 1 ª kg º .
¬
¼
G
La correspondiente unidad de masa llamada:
unidad técnica de masa . . . . 1[utm]
se introduce de modo tal que al aplicar una fuerza
neta de 1[kp] a un cuerpo de 1[utm] de masa
resulte una aceleración de 1[m/s2] , esto es:
1>kp@ 1>utm@ ˜ 1 ª¬m s
1>utm@ 1 ª¬kp m s
2
2
º¼
a
1[m/s2]
G
F
1[utm]
1[kp]
º¼
Para la unidad 1[utm] se ha propuesto el nombre 1[hyl], de la palabra griega vOK (hile) para
materia.
367
CAPÍTULO IX / FUERZAS
La unidad de fuerza 1[kp] corresponde, por definición, al peso de un cuerpo de 1[kg] de masa en
un lugar en que la aceleración de gravedad tiene el valor normal. Esto nos permite establecer su
equivalencia con la unidad 1[N]:
1>kp@ 1>kg@ ˜ 9 , 80665 ª¬m s
2
9 , 80665 >N@
º¼
ˆ 9 , 81>N@
G
1[kp]
gn
y, por tanto:
1>utm@ 1>kp@
1 ª¬m s
2
9 , 80665 >N@
º¼
1 ª¬m s
2
1[kg]
º¼
Tierra
9 , 80665 >kg@
ˆ 9 , 81>kg@
Establecemos, también, que al aplicar una fuerza neta de 1[kp] de magnitud a un cuerpo cuya
masa mide 1[kg] , éste adquiere una aceleración de magnitud:
a
F
m
> @
1>kg@
1 kp
Ga
> @
1 kg
9,80665 ª¬m s
ˆ 9,81 ª¬m s
> @
9,80665 N
2
2
9,81[m/s2]
G
F
1[kg]
º¼
º¼
1[kp]
Sistema técnico de unidades inglesas
Como sistema técnico de unidades de medición tiene entre sus dimensiones básicas las de tiempo,
longitud y fuerza. Las correspondientes unidades son: 1[s] , 1[ft] y 1[lbf].
La unidad de fuerza:
Una libra fuerza . . . . . 1[lbf]
se define como el peso de un cuerpo de 1[lb]
de masa en un lugar en que la aceleración de
gravedad tiene el valor normal g n .
G
1[lbf]
gn
1[lb]
Tierra
368
CAPÍTULO IX / FUERZAS
El valor normal g n de la aceleración de gravedad expresada en [ft/s2] es:
gn
9,80665 ª¬m s
2
º¼
9,80665 ª¬m s
2
º¼ ˜
0,3048 >m@
2
º¼
32,17405 ª¬ft s
>@
1 ft
La unidad de masa en este sistema, llamada 1[slug] , se elige de modo que al aplicar una fuerza
neta de 1[lbf] a un cuerpo de masa 1[slug] éste adquiera la aceleración de 1[ft/s2]:
1>lbf @ 1>slug@ ˜ 1 ª¬ft s
1>slug@ 1 ª¬lbf ft s º¼
2
G
º¼
a
2
1[ft/s2]
G
F
1[slug]
1[lbf]
·
·
Algunas equivalencias entre las unidades 1[lbf] y 1[slug] con las correspondientes unidades en
otros sistemas son:
1>lbf @ 1>lb@ ˜ 32 ,17405 ª¬ft s º¼ 32 ,17405 >pdl@
2
ˆ 0 , 4536 >kg@ ˜ 9 , 80665 ª¬m s º¼ 4 , 448 >N@
2
4 , 448 >N@ ˜
1>slug@ 1>lbf @
1 ª¬ft s
ˆ
2
º¼
1>kp@
9 , 80665 >N@
0, 4536 >kp@
32 ,17405 >pdl@
1 ªft s2 º
¬
¼
4, 448 [N]
2
0, 3048 [m / s ]
32,17405 >lb@
ˆ 14, 59 [kg]
Para la aceleración producida por la fuerza de 1[lbf] actuando sobre un cuerpo de 1[lb] de masa
tenemos:
> @
m
1>lb@
32,17405 >pdl@
1>lb@
F
a
G
1 lbf
32,17405 ª¬ft s
2
a
32,17405 [ft/s2]
G
F
1[lb]
·
º¼
369
1[lbf]
·
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Ejemplos
x
Un cuerpo pesa 32,7[kp] en un lugar en que la aceleración de gravedad vale 983[cm/s2]. Calcule la
aceleración que adquiere el cuerpo, en [m/s2], cuando se aplica sobre él una fuerza neta de 23,8[N].
P
M
a
x
> @
> @
32,7 kp ˆ 32,7 kp ˜
> @
P
320,787 N
g
9,83 ªm s2 º
¬
> @
32, 6 >kg@
M
G
> @
320,787 N
Fneta
> @
ˆ 32, 6 kg
¼
23,8 N
Fneta
> @
1>kp@
9,81 N
M
ˆ 0,729 ª¬m s
2
G
º¼
a
La masa M de un cuerpo se puede expresar por:
M
>
@
> @
MT utm MF kg
Determinemos la relación entre los números de medición MT y MF .
Usando la equivalencia 1>utm@ 9 , 81>kg@ resulta:
>
@
>
@
> @
> @
MT utm MT ˜ 1 utm MT ˜ 9,81 kg MF kg
M
y por tanto:
MF
9,81MT
es la relación entre los respectivos números de medición para la masa en los sistemas métricos físico y
técnico.
x
Se define peso específico como el cuociente entre el peso y el volumen de un objeto:
J
P V.
La densidad de un objeto es 8,75[kg/dm3]. Calcule su peso específico, en [N/dm3] y en [kp/dm3],
en un lugar en que la aceleración de gravedad tiene el valor normal.
J
P
M˜g
V
V
U˜g
8,75 ª¬kg dm º¼ ˜ 9,81 ª¬m s º¼
3
2
8,75 ˜ 9,81 ª¬N dm º¼ 85,8 ª¬N dm º¼
3
3
> @
> @
1 kp
3
3
8,75 ˜ 9,81 ª¬N dm º¼ ˜
8,75 ª¬kp dm º¼
9,81 N
370
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Observamos que el número de medición para el peso específico J en [kp/dm3] es igual al número
de medición de la densidad U en [kg/dm3] en un lugar cuya aceleración de gravedad tiene valor normal.
x
La masa de un cuerpo es de 2,6[lb]. Calculemos su peso, en [pdl] y en [lbf], en un lugar en que la
aceleración de gravedad vale 853[cm/s2].
Expresando la masa en [lb] y la aceleración en [ft /s2], resulta la fuerza en [pdl].
Por tanto:
P
mg
> @
2,6 lb ˜ 853 ª¬cm s
2
>@
1 ft
º¼ ˜
30, 48 >cm@
> @
ˆ 73 pdl
Recordando la equivalencia 1[lbf] ˆ 32,17[pdl], resulta:
> @
x
> @
73 pdl ˆ 73 pdl ˜
P
> @ 2,3 lbf
> @
32,17 >pdl@
1 lbf
1,7 ˜ 10
El valor de cierta cantidad física es P
5
ª¬N m2 º¼ . Expresemos este valor en “pound per
square inch” ( [psi] ).
Encontremos primero la equivalencia entre las unidades:
1 ª¬N m
2
º¼
1>psi@ 1 ª¬lbf in
y
2
º¼
esto es:
1>N@
§ 1>m@ · § 1>cm@ ·
1 ª¬N m º¼ ˜
˜¨ 2
¸ ˜¨
¸
1 ªm2 º 4 , 448 >N@ © 10 >cm@ ¹ © 2 , 54 >in@ ¹
¬ ¼
2
1>lbf @
2
1
4 , 448 ˜ 10 ˜ 2 , 54 3 , 485 10
4
2
6
ª¬lbf in2 º¼
ª¬lbf in2 º¼
Entonces:
P
1, 7 ˜ 10
5
ª¬N m2 º¼ 1, 7 ˜ 105 ˜ 3 , 485 ˜ 10 6 ª¬lbf in2 º¼
ˆ 0 , 59 >psi@
371
2
CAPÍTULO IX / FUERZAS
Resumen de unidades de fuerza, masa y aceleración
El cuadro resumen de los sistemas de unidades que se presenta a continuación permite tener una
visión de conjunto de las unidades de tiempo, longitud, masa y fuerza, explicadas hasta el momento.
Sistemas Métricos
Físico
Técnico
Sistemas Ingleses
Físico
Técnico
Tiempo
1 [s]
1 [s]
1 [s]
1 [s]
Longitud
1 [m]
1 [m]
1 [ft]
1 [ft]
Masa
1 [kg]
1 [utm]
1 [lb]
1 [slug]
Fuerza
1 [N]
1 [kp]
1 [pdl]
1 [lbf]
1[kp]
32,17 [pdl]
9,81[N]
gn 9,81 ª¬m s
1[kg]
1>N@ 1ª¬kg ˜ m s º¼
2
º¼
·
·
¼
1>slug@ 1ªlbf
¬
9,81[m/s2]
·
·
·
32,17[ft/s2]
1[lb]
·
1[pdl]
1[ft/s2]
1[utm]
2
1[lb]
1[kp]
1[m/s2]
·
ft s º¼
1[ft/s2]
1[kg]
·
º¼
2
1[m/s2]
1[N]
2
1>pdl@ 1ª¬lb ˜ ft s º¼
2
1>utm@ 1ªkp m s º
1[kg]
gn 32,17 ª¬ft s
1[lb]
2
¬
1[lbf]
1[slug]
1[kp]
·
372
·
1[lbf]
·
·
1[lbf]
CAPÍTULO IX / FUERZAS
gn 9,81 ª¬m s
> @
> @
1>utm@ ˆ 9,81>kg@
2
º¼
gn 32,17 ª¬ft s
> @
> @
1>slug@ ˆ 32,17 >lb@
1 kp ˆ 9,81 N
2
º¼
1 lbf ˆ 32,17 pdl
Ejercicios
9-98) Complete las equivalencias propuestas:
1,4 [kp]
3,8 [N]
23,9 [pdl]
97,4 [slug]
3,6 [utm]
[N]
4,3 [kp]
[pdl]
12,5 [lbf]
[pdl]
[lbf]
16,9 [N]
[lbf]
[kg]
725 [lb]
[utm]
[kg]
0,42 [kg]
[kp]
[slug]
9-99) Un cuerpo se encuentra en un plano horizontal liso (roce despreciable) en un lugar de aceleración
de gravedad normal; entonces si
su masa es:
y la fuerza aplicada es:
, la aceleración es:
20 [kg]
16 [kp]
[m/s2]
3,8 [utm]
4,5 · 107 [dina]
[m/s2]
8,5 [utm]
1,6 [kp]
[m/s2]
12 [lb]
2,3 [lbf]
[ft/s2]
4,6 [slug]
57 [pdl]
[ft/s2]
su peso es:
y la fuerza aplicada es:
, la aceleración es:
40 [kp]
12 [kp]
[m/s2]
1,8 [kp]
17 [N]
[m/s2]
7,2 [lbf]
89 [lbf]
[ft/s2]
9-100) Un objeto tiene una masa de 14,7[g]. Calcular su peso, en [kp], para un lugar en que la
aceleración de gravedad es 9,73[m/s2].
9-101) Una cantidad física vale 600[kp/cm2]. Calcule su valor en [lbf/in2].
9-102) Exprese la constante de gravitación universal
G
6 , 67 ˜ 10
11
ª¬N ˜ m2 kg2 º¼ en ª¬lbf ˜ ft 2 slug2 º¼
9-103) La aceleración de gravedad en cierto lugar vale 9,72[m/s2]. Exprese este valor en [N/kg] y en
[kp/kg].
9-104) ¿Cuál es la masa, en [slug], de un objeto que pesa 175[lbf] al nivel del mar y a 30° de latitud?
373
CAPÍTULO IX / FUERZAS
9-105) Calcule la fuerza, en [lbf], necesaria para acelerar una masa de 8,60[kg] en 714[yd/min2] .
9-106) Un cuerpo pesa 500[N] en un lugar en que la aceleración de gravedad vale 32,0[ft/s2]. Calcule la
aceleración que adquiere tal cuerpo, en [in/min2], al aplicarle una fuerza neta de 40,0[kp].
9-107) Un objeto sobre el que actúa una fuerza neta de 220[dina] adquiere una aceleración 15,0[in/s2].
¿Cuál es el peso de ese objeto, en [kp] , en un lugar con g
32,1 ª¬ ft s º¼ ?
2
9-108) Una cantidad física tiene el valor 17 ª¬dina ˜ s cm º¼ . ¿Cuál es el valor correspondiente en la
2
2
unidad ª¬pdl ˜ min ft º¼ ?
9-109) El cuociente entre la fuerza de resistencia D en [lbf] y la rapidez v en [mile/h], para cierto tipo de
aviones a reacción se calcula según la fórmula:
D
v
0,0667
C
B
3
˜ A ˜P
2
14
donde B es la envergadura de las alas en [ft], C es un coeficiente adimensional, P es el peso del avión
en [lbf] y A es un “área equivalente” en [ft2] ,obteniéndose el resultado en [lbf/(mile/h)] . Hay que adaptar
esta fórmula al sistema técnico de medición de tal manera que, introduciendo B en [m], A en [m2] y P
en [kp], resulte D v en [kp/(km/h)] .
ªN m ˜ s ˜ K 4 º . Calcule el valor de la cantidad
¬
¼
4
física I V ˜ T cuando la temperatura vale 1350[°F]; exprese el resultado en ª¬dina cm ˜ s º¼ .
9-110) Una constante física tiene el valor V
5, 67 ˜ 10
8
3
9-111) En ciertas situaciones una de las fuerzas que actúa sobre un cuerpo se expresa por F b ˜ v
siendo v su rapidez. Exprese la dimensión de b en términos de las dimensiones de tiempo, longitud y
masa.
9-112) En determinadas condiciones la “fuerza por unidad de área” en una burbuja de radio R está dada
por la ecuación P
1
4ER . Determine la dimensión de la constante E .
9-113) La fuerza de roce sobre un líquido que fluye por un tubo está determinada, en ciertos casos, por
la fórmula: f D S A dv en que D es una constante, d el diámetro, A la longitud del tubo, v la rapidez
del líquido y r un número adimensional. ¿Qué dimensión tiene D ?
r
9-114) Suponga que la fuerza de resistencia R sobre un disco que se mueve en el aire depende de un
coeficiente adimensional [ , del área A y de la rapidez v del disco, y de la densidad U del aire, según la
ecuación R
[A r v sUt . Determine los valores de los exponentes r, s, t.
374